## Desain  Dan Implementasi Penyeimbang  Baterai Lithium  Polymer  Berbasis Dual Inductor
Darus Setyo Widiyanto,  Heri Suryoatmojo,  dan Soedibyo Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi  Industri,  Institut Teknologi  Sepuluh  Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
e-mail : darus13@mhs.ee.its.ac.id; suryomgt@ee.its.ac.id; dibyosoe@gmail.com
Abstrak  - Baterai Lithium Polymer  merupakan  baterai  yang banyak digunakan pada saat ini, baterai Lithium Polymer dapat mensuplai dengan arus yang tinggi hingga mencapai dua puluh kali  kapasitasnya.  S elain  itu  desain  baterai  Lithium  Polymer lebih kecil dibangkan dengan baterai Lead Acid maupun Ni -CD dengan  kapasitas  yang  sama.  Akan  tetapi  baterai  Lithium Polymer mempunyai beberapa kelemahan. S alah satunya yaitu dapat  rusak  jika overcharging dan over discharging. Pada alat  – alat  tertentu  sel  baterai  Lithium  Polymer  disusun  secara  seri untuk menaikkan tegangannya. Penyusunan sel baterai secara seri  membuat  perbedaan  tegangan  saat charging maupun discharging pada  masing  –  sel  baterai.  Perbedaan  tegangan tersebut  menyebabkan  sel  baterai  tidak  terisi  penuh  secara bersamaan  sehingga  menyebabkan overcharging pada sebagian sel baterai. Hal ini menyebabkan rusaknya sel baterai dan bisa menyebabkan baterai meledak.
Pada  penelitian  ini  akan  didesain  dan  diimplementasikan Penyeimbang Baterai Lithium Polymer Berbasis Dual Inductor. Penyeimbang  ini  merupakan  pengembangan  dari Buck-boost converter dengan penambahan induktor dan flying capacitor . Hasil implementasi menunjukkan bahwa penyeimbang baterai dapat  menyeimbangkan  tegangan  tiga  sel  baterai  dengan perbedaan  tegangan  yang tinggi. Disamping itu desain alat ini lebih  sederhana  dibandingkan  dengan  metode  lain  sehingga mudah untuk diaplikasikan.
Kata Kunci : Lithium Polymer ,  Dual  Induktor, Penyeimbang  Baterai

## I. PENDAHULUAN
ENGGUNAAN  baterai  lithium  polymer  semakin  tinggi karena  mempunyai  banyak  kelebihan  seperti  tegangan yang  tinggi,  kapasitas  besar  dengan  ukuran  fisik  kecil, tidak  ada  efek  memori,  dan  minim  polus i.  Umumnya  pada peralatan berkapasitas besar dibutuhkan lebih dari satu baterai untuk  catu dayanya. Baterai tersebut disusun secara seri atau pararel pada sebuah wadah khusus yang disebut battery pack . Setiap sel  baterai  pada battery  pack mempunyai karakteristik  yang  berbeda.  Hal  ini  menyebabkan  perbedaan waktu  pengisian  maupun  pengosongan  pada  tiap  sel  baterai sehingga  baterai  tidak  terisi  penuh  secara  bersamaan.  Jika ketidak  seimbangan  tersebut  tidak  dikontrol  maka,  akan berpotensi membahayakan sel baterai tersebut.
Untuk  memperpanjang  umur baterai dan sebagai pengaman baterai  dibutuhkan  alat  penyeimbang (balancer) yang berfungsi  untuk  menyeimbangkan  tegangan  tiap  sel  baterai sehingga  sel baterai terhindar dari overcharging . Berdasarkan aliran  energi  yang  melalui  sel  baterai,  proses  penyeimbangan baterai  dikategorikan  dalam  dua  jenis,  yaitu  penyeimbang
pasif  dan  penyeimbang  aktif.  Penyeimbangan  secara  pasif dilakukan  dengan  membuang  muatan  dari  baterai  yang bertegangan paling tinggi menggunakan resistor dan transistor. Penyeimbang  secara  pasif  mempunyai  efisiensi  nol,  karena energi  dari  kelebihan  muatan  pada  baterai  diserap  oleh resistor.  Sedangkan  pada  penyeimbang  aktif,  energi  dari baterai  yang  bertegangan  lebih  tinggi  dapat  dialirkan  menuju baterai  yang  mempunyai  tegangan  lebih  rendah,  sehingga dapat meningkatkan efisiensi.
Penyeimbang    Baterai  Lithium  Polymer  Berbasis  Dua Inductor  merupakan  penyeimbang  aktif  yang  terdiri  dari  dua buah  induktor,  satu  kapasitor,  tiga  diode  ,  empat  saklar frekuensi  tinggi,  dan  sebuah  switch  array  untuk  mengalirkan energi  dari  sel  baterai  yang  bertegangan  lebih  tinggi  menuju baterai  dengan  tegangan  yang  lebih  rendah.  Sehingga  dapat meningkatkan efisiensi dan mempersingkat waktu penyeimbangan  karena  energi  dari  sel  yang  bertegangan paling  tinggi  dapat  dialirkan  secara  langsung  menuju  baterai yang mempunyai   tegangan lebih rendah.

## II. URAIAN  PENELITIAN
Penyeimbang Baterai Berbasis Dual Inductor adalah sebuah alat  penyeimbang  ( balancer )  tegangan  baterai  jenis cell  to pack yang  terdiri  dari  dua  buah  induktor,  empat  saklar frekuensi  tinggi,  diode  serta  sebuah flying  capacitor yang berfungsi  untuk  mentransfer  energi  dari  satu  sel  baterai menuju ke seluruh sel baterai dalam  satu modul[2].
Rangkaian  dari  Penyeimbang  Baterai  Berbasis Dual Inductor dapat dilihat pada Gambar  1.
P
Gambar 1 Penyeimbang Baterai Berbasis Dual Inductor
Komponen  utama  pada  alat  ini  adalah  converter  berbasis dual induk tor . Untuk mempermudah, rangkaian dari converter berbasis dual induk tor dapat dilihat pada Gambar 2.

## Gambar 2 converter berbasis dual induktor
Prinsip  kerja  dari  adalah  converter  berbasis dual  induk tor dibagi menjadi  empat fase[1].
1. Fase I
Arah  aliran  arus  fase  pertama  dapat dilihat pada Gambar 3. Pada  fase  pertama  (0  ~  t on1 )  S 1 dan  S 2 on  sehingga  sel  2 mengisi  induktor  L 1 besarnya  arus  pada  fase  pertama  dapat dihitung dengan persamaan
𝐼 1 (𝑡) = 𝑉𝑠𝑒𝑙2 𝑅1 (1 − 𝑒 𝑅1 𝐿1 𝑡 ) (2.6)
Dimana  Vsel2  adalah  terminal  dari  sel2,  R1  adalah  resistansi dari  induktor  dan  L1  adalah  induktansi  dari  L1.  Dalam keadaan  normal,  nilai  R1  sangat  kecil  sehingga  dapat diabaikan menjadi[1].
𝐼 1 (𝑡) = 𝑉𝑠𝑒𝑙2 𝐿1 𝑡 (2.7)
Gambar 3 Arah aliran arus fase pertama
2. Fase II Fase  II  adalah  periode  saat  t on1 ~(t on1 +  t D )  dimana  semua saklar  off  sedangkan  arus  I 1 menuju  ke  kapasitor  C  seperti pada  Gambar  4.  Diode  D1  digunakan  untuk  menghindari condisi resonansi dari C dan L 1 [1].
Gambar 4 Fase II
3. Fase III Fase ketiga terjadi pada saat (t on1 + t D ) sampai dengan (t on1 + t D +  t on2 ).  Pada  fase ini saklar S3 dan S4 off. Pada fase ketiga kapasitor  akan  mengalirkan  energi  ke  L2  sehingga  terjadi resonansi  antara  C  dengan  L2[1].  Periode  dari  resonansi  LC dapat dihitung dengan persamaan.
𝑇 𝐿𝐶2 = 2𝜋√𝐿 2 𝐶 (2.8)
Agar C bekerja  pada mode non zero current, maka
T LC2 / 4 > t on2 (2.9)
Sehingga nilai  minimum  kapasitor adalah
𝐶 𝑚𝑖𝑛 ≥ 4𝑡𝑜𝑛2 2 𝜋2 𝐿2 (2.10)
Jika  kapasitas  C  terlalu  besar  maka  pada  L1  akan  terjadi saturasi  magnetik  sehingga  mengurangi  efisiensi[1].  untuk menghindari  hal  tersebut  maka  nilai  C max ditentukan  dengan persamaan
T LC1 / 4 < ( 2t D + t on2 ) (2.11)
Dimana
𝑇 𝐿𝐶1 = 2𝜋√𝐿 1 𝐶 (2.12)
Sehingga didapatkan
𝐶 𝑚𝑎𝑥 < 4(2𝑡𝐷+𝑡𝑜𝑛2)2 𝜋2 𝐿1 (2.13)
4. Fase IV
Fase keempat berlangsung pada saat ( t on1 + t D + t on2 ) hingga T. Pada  fase ini S3 dan S4 off sementara S1 dan S2 on. Aliran arus  dapat  dilihat  pada  Gambar  5.  L2  mengisi  modul  baterai
sementara  sel  2  kembali  mengisi  L1.  Arus  pengisian  dari  L2 ke modul baterai adalah
𝐼 2 (𝑡) =  − 𝑉𝑏𝑎𝑡𝑡 𝑅2 + 𝑒 𝑅2 𝐿2 𝑡 (𝐼 𝑀2 + 𝑉𝑏𝑎𝑡𝑡 𝑅2 ) (2.14)
Dimana  V batt adalah  tegangan  terminal  dari  modul  baterai,  L2 adalah  induktansi  L2,  R 2 adalah  resistansi  dari  induktor  L2 dan I M2 adalah  arus  L2  saat  ( t on1 + t D + t on2 ). Dalam keadaan normal,  resistansi  dari  induktor  L2  sangat  kecil  sedangkan nilai  L1  sama  dengan  nilai  L2  sehingga  persamaan  (2.14) dapat disederhanakan menjadi[1].
𝐼 2 (𝑡) = 𝐼 𝑀2 − 𝑉𝑏𝑎𝑡𝑡 𝐿 𝑡 (2.15)

## Gambar 5 Aliran arus pada fase IV

## III. DESAIN,  SIMULASI  DAN IMPLEMENTASI

## A. Blok  Diagram
Perancangan  dan pembuatan penyeimbang baterai berbasis dual  induk tor menggunakan  mikrokontroler  ATMEGA8 sebagai kontroler utama dan pembangkit pulsa PWM mengacu pada  blok  diagram  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  6 . Input dari  alat  ini  adalah  tegangan  dari  salah  satu  sel  pada  modul baterai  yang  dipilih  oleh  kontroler  utama  melalui  relay. Tegangan tersebut dinaikkan oleh konverter dual 274nduk tor menjadi  setara dengan tegangan total dari modul baterai yang kemudian  dimasukkan  kembali  ke  modul  baterai  melalui charge bus .

## Gambar 6 Blok Diagram Sistem

## B. Perancangan Kontroler Utama
Kontroler  utama  dari  penyeimbang  baterai    terdiri  dari mikrokontroler  ATMEGA8,  rangkaian  pembagi  tegangan  dan LCD.  Mikrokontroler  akan  memonitor  tegangan  tiap  sel
baterai  kemudian  membandingkan  sel  yang  lain  sehingga didapatkan sebuah sel dengan tegangan tertinggi. Flow Chart dari kontroler dapat dilihat pada Gambar  7.
Gambar 7 Flow Chart Kontroler Utama

## C. Perancangan Pembangk it Pulsa PWM
Pembangkit  pulsa  pwm  terdiri  dari  sebuah  mikrokontroler ATMEGA8  yang  diprogram  untuk  membangkitkan  pulsa PWM    dengan duty  cycle PWM  1  75%  dan  PWM  2  =  76% dimana  PWM  2  adalah inverting dari  PWM  1.  Bentuk gelombang  PWM1  dan  PWM2  ditunjukkan  pada  Gambar  8 Frekuensi PWM ditentukan dengan persamaan
𝑓 𝑃𝑊𝑀 = 𝑓𝑐𝑙𝑘 510×𝑝𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑒𝑟 (3.2)
Dimana f PW M = frekuensi pwm f clk = frekuensi clock prescaler = faktor pembagi dengan  frekuensi clock sebesar  12Mhz  maka  didapatkan frekuensi PWM sebesar
𝑓 𝑃𝑊𝑀 = 12000000 510×1
f PW M = 23,5  Khz
Gambar 8 Pulsa PWM 1 dan PWM 2
D. Menghitung Nilai Induk tor
Pada Konverter Berbasis Dual Inductor , nilai dari induktor 1 sama dengan nilai induktor 2 dimana f switch = 23,5kHz T = 42,5us D1     = 75% T on1 = 31,87us I m1 = 1,5A
Dengan menggunakan persamaan (2,7)  maka  didapatkan
𝐿 = 𝑉𝑠𝑒𝑙 𝐼𝑚 𝑡 𝑜𝑛1
𝐿 = 4,2 1,5 31,8𝑢𝑠
L = 89,23 Uh ≈ 100 Uh
E. Menghitung nilai k apasitor
L         = 100  Uh T on1 = 31,87  us 2 T D + T ON2 = 42,5  – 31,87 2 T D + T ON2 = 10,63  us
Dengan  menggunakan  rumus  persamaan  (2,13),  maka  nilai kapasitas kapasitor maksimum  adalah
𝐶 𝑚𝑎𝑥 = 4(10,63𝑢𝑠 )2 3,142 ×100𝑢𝐻
C max = 0,46  Uf  ≈ 0,47  Uf

## F. Perancangan Swtich S1 dan S2
Saklar  frekuensi  tinggi  SI  dan  S2 pada rangkaian konverter ini beroperasi pada tegangan rendah yaitu 4V, sehingga mosfet tidak dapat digunakan karena tegangan treshold minimum dari mosfet  tidak  terpenuhi.  Oleh  karena  itu  saklar  S1  dan  S2 menggunakan transistor sebagai switch frekuensi tinggi karena transistor bekerja berdasarkan arus pada kaki basis.
𝐼𝑏 = 𝐼𝑐 ℎ𝑓𝑒 (3.3)
𝑅𝑏 = 𝑉𝑐𝑒−0,6 𝐼𝑏 (3.4)
Dimana
Ib = Arus basis Ic = Arus colector Rb = Hambatan pada kaki  basis Vce = Tegangan colector – emitor hfe = nilai  penguatan arus DC
Transistor  TIP  2955  dan  TIP3055  mempunyai  nilai hfe minimum  20  sehingga nilai Rb
𝐼𝑏 = 2
20
𝐼𝑏 = 0,1 𝐴
𝑅𝑏 = 4,2−0,6 0,1

## 𝑅𝑏 = 36Ω ≈ 33Ω

## G. Simulasi Konverter Berbasis Dual Inductor
Karena  keterbatasan software simulasi  PSIM  maka, simulasi  hanya  dapat  dilakukan  pada  modul  Konverter Berbasis Dual  Inductor saja.  Skema  simulasi  dari  Konverter Berbasis Dual Inductor ditunjukkan pada Gambar  9
Gambar 9 Skema Simulasi Konverter Berbasis Dual Inductor
Antara  PWM 1 dan PWM2 terdapat jeda waktu T D sebesar 1 Us. Jeda waktu ini berfungsi untuk membuat flying capacitor berada  pada  mode non  zero  current .  Dimana    arah  tegangan kapasitor  tidak  berubah  sedangkan  arus  kapasitor  tidak berhenti  di  titik  nol  seperti  pada  gambar10,    sehingga kapasitor  dapat bekerja sebagai buffer L1. Arus pada induktor L1  akan  berpindah  ke  induktor  L2.  Hal  ini menyebabkan arus peak dari induktor L1 sama dengan arus peak dari induktor L2 Bentuk  gelombang  hasil  simulasi  ditunjukkan  pada  gambar 11.
G ambar 11 Bentuk gelombang hasil simulasi

## H. Implementasi Konverter Berbasis Dual Inductor
Implementasi  dari  Penyeimbang  Baterai  Berbasis Dual Inductor disesuaikan  seperti  pada  Gambar  6.  Implementasi dari  Penyeimbang  Baterai  Berbasis Dual  Inductor dapat dilihat  pada gambar 12 sedangkan komponen yang digunakan dapat dilihat pada tabel 1
T abel 1 Spesifikasi Komponen Komponen Nilai Induktor L1 100 uH Induktor L2 100 uH Kapasitor 0,47 uF N-Mosfet Irf 540 P-Mosfet Irf 9830 T ransistor PNP T IP 2955 T ransistor NPN T IP 3055 Diode 1N5822 Driver Mosfet T LP 250
Gambar  12 Implementasi  dari Penyeimbang Baterai  Berbasis Dual Inductor

## IV. PENGUJIAN
Pengujian  yang  dilakukan  adalah  pengujian,  arus induktor  L1,  arus  induktor  L2,  tegangan  kapasitor,  arus kapasitor,  dan  pengujian  terhadap  tiga  kondisi baterai lithium
polymer  yang  berbeda.  Pengujian  dilakukan  sebagaimana disebutkan pada Tabel 2 berikut.
T abel 2 Kondisi Pengujian Penyeimbang Baterai Berbasis Dual Inductor. parameter Kondisi Frekuensi 23,53kHz PWM1 75% PWM2 24% T B 10 S Baterai Li-Po 3 sel 1600mAh Status sel Sel1 : 3,93V; sel2 :4V ; sel3: 3,82V Status balancer Discharge bus terhubung ke sel 2
A. Pengujian Induk tor  PWM1, PWM2,  IL1, IL2,  VC, dan IC Bentuk gelombang hasil pengujian dapat dilihat  pada gambar 13.
PWM1
PWM2 IL1 VC IC

## IL2

## Gambar 13 Bentuk gelombang hasil pengujian
Di  dalam  simulasi,  arus  induktor  L1  dapat  menyentuh angka  nol  sedangkan  pada  implementasi  arus  induktor  selalu lebih  dari  nol.  Hal  ini  disebabkan  karena  dalam  simulasi  dan perhitungan,  induktor  diasumsikan  ideal  sedangkan  pada implementasi  komponen yang digunakan tidak ideal.. polaritas tegangan  pada  kapasitor  tidak  berubah,  hal  ini  menunjukkan bahwa  kapasitor  bekerja  pada  mode buffer .  Induktor  L2 bekerja  berdasarkan  PWM2.  Ketika t 2 pada  PWM2  on,  maka induktor  L2 charging .  Ketika t 2 off,  maka    induktor  L2 mengisi  baterai.  Pada  simulasi, Arus  yang melalui induktor L2 sama  dengan arus yang melalui induktor L1,  sedangkan pada implementasi  arus  induktor  L2  berbeda  dengan  arus pada L1. Hal ini dikarenakan komponen yang dipakai pada alat ini tidak ideal.  Pengujian Terhadap Kondisi Baterai:
1. Kondisi dua baterai under voltage
Pengujian terhadap Kondisi dua baterai under voltage dapat dilihat pada gambar 14.
Gambar 14 Pengujian terhadap Kondisi dua baterai under voltage
Diketahui  bahwa  untuk  menyeimbangkan  tegangan  dari  dua dari  tiga  sel  yang under  voltage dibutuhkan  waktu  70 menit. Kedua  sel  baterai  yang  mempunyai  OCV  awal  3,61V  dan 3,51V  meningkat  menjadi  3,69V  sedangkan  pada  sel  baterai yang mempunyai  OCV  awal  4,02V  menurun menjadi  3,7V
2. Kondisi satu sel baterai under voltage
Pengujian terhadap Kondisi satu baterai under voltage dapat dilihat pada gambar 15.
Gambar 15 Kondisi satu baterai under voltage
Dari  Gambar  15  diketahui bahwa proses penyeimbangan pada kondisi  kedua  membutuhkan  waktu  lebih  lama  dibandingkan dengan  proses  penyeimbangan pada kondisi 1 dimana proses penyeimbangan  membutuhkan waktu 175 menit. Tegangan sel 2  baterai  awal  3,61  meningkat  dengan  cepat  h ingga  3,7v dalam  waktu  40  menit.  Kemudian  peningkatan  tegangan berjalan  lebih  lambat  hingga  mencapai  3,75V  pada  menit  ke- 175.
3. Kondisi ketiga sel baterai normal
Pengujian  terhadap  Kondisi  ketiga sel baterai normal dapat dilihat  pada  gambar  16.  Dari  gambar  4.8  diketahui  bahwa proses  penyeimbangan  memerlukan  waktu  yang  lebih  cepat dibandingkan  dengan  kondisi  1  dan  kondisi  2.  Hal  ini dikarenakan perbedaan tegangan antar sel yang kecil sehingga ketiga  sel  baterai  mempunyai  tegangan  yang seimbang dalam waktu 35  menit.
Gambar 16 Kondisi ketiga sel baterai normal

## V. KESIMPULAN
Berdasarkan  analisis  data,  hasil  simulasi  dan  pengujian implementasi  alat  Penyeimbang  Baterai  Berbasis Dual Inductor , dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut 1. Penyeimbang  Baterai  Berbasis Dual  Inductor dapat digunakan pada battery pack dengan tingkat ketidakseimbangan yang tinggi hingga 0,5V.
2. Waktu  penyeimbangan  tegangan  OCV  baterai  tergantung dari  perbedaan  tegangan  antar  sel  baterai.  Semakin  besar perbedaan  tegangan  antar  sel  baterai  maka  semakin  lama proses penyeimbangannya.
3. Tegangan  total  dari battery  pack setelah  proses penyeimbangan lebih kecil dibandingkan dengan tegangan total dari battery pack sebelum proses penyeimbangan. Hal ini  dikarenakan  terjadi  loses  saat  proses  penyeimbangan dan akibat dari efisiensi pengisisan dari baterai.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Dai, Haifeng., Wei, Xuezhe., Sun, Zechang., dan Wang, Daizhuang., “A novel dual-inductor based charge equalizer for traction battery cells of electric vehicles”, Electrical Power and Energy Systems, Shanghai, 2014.
[2] Xu, Jun., Li, Siqi., Mi, Chris., Chen, Zheng dan Cao, Binggang., “ SOC Based  Battery  Cell  Balancing  with  a Novel T opology and Reduced Component Count”, energies ISSN 1996-1073, 2013
3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 0 5 1015202530354045505560657075808590 O C V ( V ) sel1 sel2 sel3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 0 15 30 45 60 75 90 105120135150165180195 sel1 sel2 sel3 4 4.05 4.1 4.15 4.2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 sel1 sel2 sel3 ocv Waktu  (menit) OCV Waktu(menit) Waktu(menit)